舰艇防空能力仿真计算可视化系统设计与实现*

赵俊杰 闵绍荣 陈卫伟 朱忍胜

(中国舰船研究设计中心 武汉 430064)



舰艇防空能力仿真计算可视化系统设计与实现*

赵俊杰 闵绍荣 陈卫伟 朱忍胜

(中国舰船研究设计中心 武汉 430064)

为了研究水面舰艇的防空能力,对舰艇防空能力建立计算模型并进行仿真,设计实现了水面舰艇防空作战虚拟仿真系统,能够对整个防空过程进行二维和三维的动态演示。仿真系统采用模块化设计,利用蒙特卡洛方法对设定参数进行多次仿真,对结果进行统计分析得到防空能力分析结果。仿真结果验证了系统的合理性和实用性。

防空能力计算; 可视化仿真; 系统设计; 舰艇

Class Number TP391

1 引言

随着仿真科学技术的进步,仿真模拟作为现代联合作战的重要支撑得到了空前发展,各国都在研发各类武器装备仿真系统[1～3]。通过构建仿真计算模型,在给定的数值条件下运行模型来进行作战仿真实验,由实验得到作战进程与结果数据的仿真模拟法已成为研究水面舰艇防空作战效能的有效手段[4]。

本文介绍的舰艇防空能力仿真计算可视化系统模拟舰载雷达探测、指控系统、武器系统等工作流程,实现了武器-目标分配、威胁评估等算法,并在二维和三维场景下动态仿真演示作战全过程,准确直观生动显示作战过程与结果,对水面舰艇防空系统设计与验证具有非常重要的意义。

2 系统的总体设计

2.1 系统的功能

舰艇防空能力仿真计算可视化系统是用于仿真计算大型水面舰艇防空作战能力的重要软件,其主要功能为通过设置空中来袭目标与水面舰艇性能参数,模拟水面舰艇防空作战过程,仿真计算水面舰艇防空能力值,并在二维和三维场景下动态仿真演示作战全过程,以及采用蒙特卡洛方法,对设定的相同参数进行多次仿真,对仿真结果进行统计分析,得到防空能力统计分析结果。

2.2 系统的结构

舰艇防空能力仿真计算可视化系统软件由可视化子系统、结果保存与分析子系统、防空计算模型、来袭目标流生成子系统(系统组成结构图见图1)组成。

图1 系统组成结构图

可视化子系统包含二维态势显示与三维局部视景显示两部分,二维态势显示提供地图浏览操作、地理信息显示、控制、浏览、空间数据查询等地图操作,三维局部视景显示模块提供各操作平台的显示界面;结果保存与分析子系统提供基础数据类型的定义(移动目标、武器)和数据存储介质的增、删、改操作接口以及数据管理和数据分析的重要函数接口;来袭目标流生成子系统主要任务是生成动态目标数据,如目标类型、位置、角度、速度、损伤程度等;计算模型是整个仿真计算系统的核心部分,模型的优劣会影响评估结果的精确性。

3 防空能力仿真计算模型

3.1 模型整体结构

参照舰艇对空防御作战系统组成[5],依据模块分解方法将水面舰艇防空能力计算模型分为来袭目标流生成模型、雷达探测模型、威胁评估模型、武器-目标分配模型以及防空武器及其交战模型(如图2)。

图2 防空能力仿真计算模型整体结构

来袭目标流模型根据作战想定[6],提供多种典型场景下来袭目标流生成模式,提供多种典型航路规划弹道,用以模拟空袭方多层次、多批次、多方向的饱和攻击。主要包括如下四个子模块:目标流时间特性模型、目标流空间特性模型、目标时空联合特性模型以及目标运动模型。

雷达探测模型按照舰艇防空作战的流程[7],首先由搜索雷达扫描预定空域、探测目标,然后捕获目标后对目标进行非精确跟踪、参数估计、向舰指控等输出目标参数,并对目标进行敌我识别,识别为敌的目标由本舰指控分配给适当的武器系统,并启动相关的跟踪雷达,迅速转入对目标的精确跟踪。

威胁评估模型的主要任务是根据获取的各种数据推断出敌目标威胁程度的高低,以期为合理、高效地使用武器资源提供基本依据[8～9]。本模型根据本舰传感器获取的目标信息及本舰的自身属性,对多个目标按照威胁程度进行排序。本模型输入目标相对航向、相对速度等目标信息,输出目标威胁队列以及威胁等级信息。

防空武器及其交战模型综合考虑武器的毁伤概率、武器位置以及武器目前所处的状态、舷角和攻击的目标等信息,模拟交战过程[10～11],输出弹目遭遇点距离、时刻,拦截结果,武器状态等信息。

3.2 武器-目标分配模型

目标分配模型包括武器分配和射击时机分配,就是要选择适当型号和数量的武器,并为各武器确定一个合适的发射或射击时机保证在其杀伤范围内成功击毁目标。具体结构如图3所示。

图3 武器-目标分配模型内部结构

3.2.1 目标分配原则与策略

武器系统综合来袭目标运动学参数、系统配置、各发射装置的安装位置、责任扇区、载弹量、工作状态等因素,将预拦截的目标分配到适合的发射装置。每一个目标只分配到一个发射装置,分配原则为:威胁高的目标优先进行分配;目标分配给可进行拦截的武器单元;(时间、空间条件须具备拦截可行性)目标优先分配给等待拦截时间最短的武器单元;在等待拦截时间相同的情况下优先分配给拦截概率更大的武器单元。

3.2.2 来袭目标等待拦截时间的计算

(1)

其中Tftfy为目标j飞抵武器单元i的发射远界的时间。计算公式为:

(2)

(3)

(4)

(5)

3.2.3 拦截可行性判断与拦截时间

拦截可行性判断准则:

1) 所拦截的目标属性为敌;

2) 预测遭遇点在防空武器射界内;

3) 目标飞行高度在防空体系的拦截高界与低界之间;

4) 目标的航路捷径在防空体系的最大航路捷径内;

5) 目标攻击速度小于该防空武器最大可拦截速度;

6) 目标机动范围在该防空武器可拦截范围内;

7) 对于中程防空导弹,雷达有剩余制导资源为防空导弹提供制导;

8) 满足以上条件则判断该批目标可拦,加入可拦截队列并可进行火力分配,否则为不可拦目标;

9) 在某批目标火力分配后,需将该批目标从可拦截队列中撤销。

(6)

(7)

由以上结论,可以根据需要,得到实时或者以固定周期刷新的拦截队列与目标指示队列。

4 软件设计与实现

4.1 系统工作流程

防空能力仿真计算可视化系统软件操作流程分为二维态势显示及人机交互,数据交互、三维局部战场视景显示三个层次(如图4)。其中用户通过二维态势显示及人机交互实现全局了解战场态势,推演运行控制,防空拦截,环境导调等功能,数据交互负责转发人机交互信息至三维视景模块,三维局部战场视景显示从局部三维的角度显示实体的运行状态(海浪,风速、发射场景等)。

图4 系统软件工作流程

4.2 二维态势显示设计

二维态势显示与交互包括地理信息显示、通用态势显示和人机交互: 1) 地理信息需绘制海洋、陆地轮廓、水深等信息,可以对该图层的地理信息进行查询。 2) 通用态势显示需将敌我双方有关军事情况用军队标号和文字标记在地图上,记录战场情况、反应战场态势、组织指挥作战;为了战术推演的需要,包括本舰位置及动态信息、来袭目标位置及动态信息,根据探测目标、已探测目标、未识别目标、已识别目标、已拦截目标等类别进行区分显示,如高亮颜色区分显示已探测目标,已拦截目标等; 3) 人机交互部分需实现地理信息的常用功能如地图加载、图层管理、地图操作、地图查询、图上量算等。

图5 二维态势模块内部设计

二维态势显示需要支持动态GIS显示环境。动态显示的内容包括在亚秒级的刷新速度中,移动大量的显示对象,动画,也能更新位置、方向、尺寸、状态,和属性信息等,而且在平滑和不中断的移动情况下支持GIS数据查询。内部设计如图5所示。

4.3 三维局部视景显示设计

三维局部视景提供三维视景同步显示海面战场环境、根据选择视点显示本舰与来袭目标的实时动态,支持武器发射、飞行、操作、爆炸等视景特效,支持视点切换、视点跟踪等操作,增加垂(斜)发武器系统及近防炮、密集阵等近防武器的三维显示。可以实时响应视点控制命令、视觉平滑显示三维战场环境及局部实体状态。内部设计如图6所示。

图6 三维局部视景模块内部设计

4.4 仿真实例

系统开始仿真需配置仿真所需要的目标流基本信息、防空武器基本信息、指控基本信息、本舰基本信息。

仿真运行过程中可以开启仿真、暂停、加速、仿真监视等运行控制功能。并通过综合态势显示模块来观察仿真运行过程。整个虚拟战场、作战过程都可以通过三维显示表现出来,使得用户可以直观地得到战场基本信息。

系统可以对单次与多次仿真结果进行保存,对仿真结果进行科学的分析。采用了可视化技术,通过图形、图表显示出被仿真对象的各种状态与统计结果,并能以文本的形式保存。

系统的部分截图如图7～图9所示。

图7 程序运行主界面

图8 三维局部视景显示

图9 二维态势显示

5 结语

本文对水面舰艇防空能力仿真计算可视化系统总体结构进行了分析,并对计算模型特别是武器目标分配模型进行了较为详细的介绍,实验证明了系统的仿真模型真实性高,有较好的视觉效果,能够通过二维与三维动态可视化的方式对水面舰艇的防空过程进行模拟。系统的实现与应用将在水面舰艇的作战研究中起到积极的作用。

[1] Gosse W. E-CATS: First Time Demonstration of Embedded Training in a Combat Aircraft[J]. Aerospace Science and Technology,2006,10(1):73-84.

[2] Richard P B, Mark A, Brian B, et al. Modelling the Infrared ManPAD Track Angle Bias Missile Countermeasure[J]. Infrared Physics and Technology,2011,54(5):412-421.

[3] Sungsoon P, Ling R. Systematic Analysis of Framing Bias in Missile Defense: Implications Toward Visualization Design[J]. European Journal of Operational Research,2007,182(3):1383-1398.

[4] 王刚,梅卫,刘恒.高炮防空作战可视化仿真系统设计与实现[J].火力指挥与控制,2014,39(8):132-136.

[5] 刘志勤,程学绩,刘毅,等.水面舰艇编队对空防御作战效能综合评估系统研究[J].弹箭与制导学报,2005(3):109-110,118.

[6] 董秋仙,张少文,顾文彬,等.有效空中来袭目标确定准则[J].南昌大学学报,2006,12(30):545-548.

[7] 原慧,陶建锋.复杂战场环境雷达探测模型研究[J].计算机测量与控制,2012,20(11):2999-3001.

[8] 董彦非,郭基联,张恒喜.多机空战目标威胁评估算法[J].火力与指挥控制,2002(4):73-76.

[9] 杨进佩,王俊,梁维泰.反导作战中的目标威胁排序方法研究[J].中国电子科学研究院学报,2012(4).

[10] 张明智,娄寿春,陈志杰.低层反导作战交战仿真模型研究[J].装备指挥技术学院学报,2002,13(3):36-40.

[11] 丁晓明,许瑞恩,顾建.高技术战争与作战运筹分析[M].北京:海潮出版社,1998.

Design and Realization of Warship Aerial Defense Capability Simulating Computation Visual System

ZHAO Junjie MIN Shaorong CHEN Weiwei ZHU Rensheng

(China Ship Development and Design Centre, Wuhan 430064)

In order to research the air defense capability of the warship, a virtual simulation system is designed and implemented which is capable of 2D and 3D dynamic demonstration of the whole process of air defense. The calculation model of the air defense capability is developed and simulated for the air-defense system. The modularized structure is used in the design of the simulation system. Multiple simulation are implemented by setting the parameters of the simulation and using the Monte Carlo method. Statistical analysis is performed to obtain air defense capability analysis results. The results of the simulation prove the system is rational and practicable.

air defense capability calculation, visualization simulation, system design, warship

2015年2月12日,

2015年3月22日

国防重点实验室研保建设项目资助。

赵俊杰,男,硕士研究生,研究方向:舰船信息系统设计研究、作战效能评估。闵绍荣,男,硕士,研究员,研究方向:舰船信息系统设计研究、作战效能评估。陈卫伟,男,硕士研究生,研究方向:舰船信息系统设计研究、作战效能评估。朱忍胜,男,硕士,工程师,研究方向:舰船电子工程,决策理论与方法。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.027